(57)【要約】【課題】  イオンが冷媒流路の冷媒中に混じる、または、混じり続けるのを抑制できる燃料電池用セパレータの提供。【解決手段】（１）一面がガス流路面４０であり他面が冷媒流路面４１である燃料電池用セパレータ１８であって、セパレータ１８の冷媒流路面４１にイオン吸着剤４２が設けられている。（２）イオン吸着剤４２が金属イオン吸着剤４２Ａである。（３）イオン吸着剤４２が金属イオン吸着剤４２Ａの他に陰イオン吸着剤４２Ｂを含む。（４）イオン吸着剤４２に導電性微粒子４２Ｄが混入されている。（５）イオン吸着剤４２がセパレータのガス流路面４０にも設けられている。【選択図】        図４
2007073444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面がガス流路面であり他面が冷媒流路面である燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータの前記冷媒流路面にイオン吸着剤が設けられている燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記イオン吸着剤が金属イオン吸着剤である請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記イオン吸着剤が金属イオン吸着剤の他に陰イオン吸着剤を含む請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記イオン吸着剤に導電性微粒子が混入されている請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記イオン吸着剤が前記セパレータの前記ガス流路面にも設けられている請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータ（たとえば、メタルセパレータ、ただし、メタルセパレータに限るものではなく、カーボンなどのセパレータでもよい）に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は膜−電極アッセンブリ（Mebrane-Electrode Assembly、略してＭＥＡ）をセパレータで挟んだものから形成される。燃料電池発電領域において、セパレータには、一面に燃料ガス流路、酸化ガス流路が形成され、他面に冷媒流路が形成されている。また、燃料電池非発電領域において、セパレータには、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドが形成されている。燃料ガス流路、酸化ガス流路、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールドには、加湿された、また、生成水を含むガスが流れ、冷媒流路、冷媒マニホールドには冷媒（冷却水）が流れる。
燃料電池のガス流路、冷媒流路には、イオンが混じる場合がある。
たとえば、セパレータがメタルセパレータ、たとえばステンレス製のセパレータの場合、セパレータが腐食すると金属イオン、たとえば、鉄イオン（陽イオン）がガス流路の生成水中に溶け出したり、あるいは冷媒流路の冷却水中に混じったりする。また、セパレータがカーボンなどのセパレータの場合、冷媒配管中の金属管などで金属イオン、たとえば、鉄イオン（陽イオン）が生じる。
また、海辺走行中において、酸化ガス流路の供給エアの中に塩分が含まれていると、ガス流路の生成水中に塩素イオン（陰イオン）が混じる。また、冷却水に水道水を使用すると水道水中の塩素イオン（陰イオン）が冷媒に混じる。
冷媒流路、ガス流路にイオン（陽イオン、および／または、陰イオン）が混じると、つぎの問題が生じる。
（イ）冷媒流路の冷却水中にイオン（金属イオン等の陽イオン、塩素イオン等の陰イオン）が混じると、冷却水の導電率が増加し、すなわち、冷却水の絶縁抵抗が低下し、冷却水を介して燃料電池の外部と短絡し、漏電を生じる（冷却水を介してアースされる）。
また、冷媒マニホールド中の冷却水の絶縁抵抗の低下により、電解質膜を挟むセパレータ間の絶縁が低下し、電解質膜を挟むセパレータ間の短絡、セルの電圧低下、電池性能低下を生じる。
（ロ）ガス流路中に金属イオン（陽イオン）が混じると、電極、電解質が陽イオンによって汚染されて電解質がプロトンを通しにくくなる。更に詳しくは、電解質の分子の末端にはプロトンの移動に効果的に働くスルホン酸基がついているが、そこに金属イオンがついてプロトンの移動を妨げる。その結果、電池性能が低下する。
また、ガス流路中にイオン（金属イオン等の陽イオン、塩素イオン等の陰イオン）が混じると、ガス流路の生成水の導電率が増加し、それがガスマニホールドに出ると、電解質膜を挟むセパレータ間の絶縁を低下させ、電解質膜を挟むセパレータ間の短絡、セルの電圧低下、電池性能低下を生じる。
【０００３】
金属イオンの溶出を抑制するために、特開２０００−２４３４０８号公報は、メタルセパレータのガス流路に金属イオン吸着剤を設けることを開示している。
【特許文献１】特開２０００−２４３４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特開２０００−２４３４０８号公報の金属イオン吸着剤はガス流路への金属イオンの溶出抑制には効果があるが、冷媒流路の冷媒へのイオン（金属イオン等の陽イオン、塩素イオン等の陰イオン）の溶出・混じりの抑制対策にはならない。
【０００５】
本発明の目的は、イオン（金属イオン等の陽イオン、塩素イオン等の陰イオン）が冷媒流路の冷媒中に混じる、または、混じり続けるのを抑制できる燃料電池用セパレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１）  一面がガス流路面であり他面が冷媒流路面である燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータの前記冷媒流路面にイオン吸着剤が設けられている燃料電池用セパレータ。（本発明の全実施例に共通に適用）
（２）  前記イオン吸着剤が金属イオン吸着剤である（１）記載の燃料電池用セパレータ。（本発明の実施例１に適用）
（３）  前記イオン吸着剤が金属イオン吸着剤の他に陰イオン吸着剤を含む（１）記載の燃料電池用セパレータ。（本発明の実施例２に適用）
（４）  前記イオン吸着剤に導電性微粒子が混入されている（１）記載の燃料電池用セパレータ。（本発明の実施例３に適用）
（５）  前記イオン吸着剤が前記セパレータの前記ガス流路面にも設けられている（１）〜（４）の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。（本発明の実施例４に適用）
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）の燃料電池用セパレータによれば、セパレータの冷媒流路面にイオン吸着剤が設けられているので、冷媒中に混じろうとする、または混じった後のイオンは、イオン吸着剤によって吸着され、冷媒中に冷媒中に混じる、または、混じり続けることが抑制される。その結果、イオンによって冷媒の導電率が増加し、冷媒を介して外部に漏電したり、あるいは、電解質膜を挟むセパレータ間の絶縁が低下してセル電圧が低下したりするのが抑制される。
上記（２）の燃料電池用セパレータによれば、イオン吸着剤が金属イオン吸着剤であるので、腐食などにより、セパレータの冷媒流路面から溶出した金属イオン（たとえば鉄イオン、金属イオンは陽イオン）は、金属イオン吸着剤によって吸着され、冷媒中に混じる、または混じり続けるのが抑制される。
上記（３）の燃料電池用セパレータによれば、イオン吸着剤が金属イオン吸着剤の他に陰イオン吸着剤を含むので、冷媒中に混入した陰イオン（たとえば、塩素イオン等）は、陰イオン吸着剤によって吸着され、冷媒中に混じり、または混じり続けることが抑制される。
上記（４）の燃料電池用セパレータによれば、イオン吸着剤に導電性微粒子が混入されているので、セパレータ面の導電性微粒子含有イオン吸着剤とそれが接触する部材（拡散層または隣りのセルのセパレータ面の導電性微粒子含有イオン吸着剤）との間の接触電気抵抗を、イオン吸着剤なし程度に、低減できる。
上記（５）の燃料電池用セパレータによれば、イオン吸着剤がセパレータのガス流路面にも設けられているので、腐食などにより、セパレータのガス流路面から溶出した金属イオン（陽イオン）や、生成水中に混入した陰イオン（たとえば、塩素イオン等）は、イオン吸着剤によって吸着され、生成水中に混入し続けることが抑制される。その結果、金属イオンによって電極、電解質がコンタミ（汚染）して電池性能が低下するのが抑制される。また、イオン（金属イオン等の陽イオンや、塩素イオン等の陰イオン）が混入した生成水がガスマニホールドに出て電解質膜を挟むセパレータ間の短絡、セルの電圧低下、電池性能低下を生じるのが抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池用セパレータを図１〜図７を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１を示し、図２は本発明の実施例２を示し、図３は本発明の実施例３を示し、図４は本発明の実施例４を示す。図５〜図７は本発明の何れの実施例にも適用可能である。
本発明の全実施例に共通する構成部分には本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
【０００９】
まず、本発明の全実施例に共通な部分の構成、作用・効果を、図１、図５〜図７を参照して、説明する。
本発明が適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図２〜図４に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１９をセパレータ１８で挟んだものからなる。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
セル１０を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）にボルト・ナット２５にて固定し、セル積層体にセル積層方向に締結荷重を付与して、燃料電池スタック２３を構成する。
【００１０】
電解質膜１１を挟んで対向する一対のセパレータ１８のうち、アノード側セパレータ１８の一面（アノード対向面）には、発電領域５１において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード側セパレータ１８の一面（カソード対向面）には、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、アノード側およびカソード側セパレータ１８には、ガス流路２７、２８が形成された面と反対側の面（他面）に、冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。
セパレータ１８には、非発電領域５２において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
【００１１】
各セル１０の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１２】
燃料ガス、酸化ガス、冷媒の各種流体は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡ１９を挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１９同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。セパレータ１８がメタルセパレータの場合、メタルセパレータ１８と電解質膜１１との間には、非発電領域５２において、樹脂フレーム５３（発電領域５１が中抜きされた樹脂製フレームで、マニホールド孔は具備しているフレーム）が介装される場合があるが、その場合は、メタルセパレータ１８と樹脂フレーム５３との間、および樹脂フレーム５３と電解質膜１１との間が第１のシール部材３２によってシールされる。
第１のシール部材３２は、たとえば接着剤（シール接着剤）からなり、第２のシール部材３３は、たとえば、ガスケット（たとえば、ゴムガスケット）からなる。ただし、第１のシール部材３２、第２のシール部材３３とも、接着剤、またはガスケットから構成されてもよい。
【００１３】
本発明のセパレータ１８は、たとえば、メタルセパレータからなる。ただし、メタルセパレータに限らず、カーボン等のセパレータでもよい。メタルセパレータの場合、メタルセパレータ１８の材料は、たとえば、ステンレススチールである。また、メタルセパレータ１８の材料は、アルミニウムまたはその合金、チタンまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、等であってもよい。
セパレータ１８は、冷媒流路２６部位で凹凸しており、凹部が溝を構成し溝内が冷媒流路２６となり、溝の背面で拡散層１３、１６と接触し、凸部がリブを構成しリブ頂面にて隣接セルのセパレータの凸部であるリブ頂面と接触する。
【００１４】
燃料電池の発電領域において、セパレータ１８の一面はガス流路面４０（燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８が形成された面）であり、他面は冷媒流路面４１（冷媒流路２６が形成された面）である。
セパレータ１８の冷媒流路面４１には、少なくとも冷媒（冷却水）が接触する部位に、イオン吸着剤４２が設けられている。
【００１５】
イオン吸着剤４２は、冷媒流路面４１の、少なくとも冷媒流路２６を構成する溝の内面に、層状に、薄膜状に、形成される。冷媒流路面４１の、凸部であるリブ頂面には、イオン吸着剤４２は形成されてもよいし、あるいは形成されなくてもよい。
図１は、イオン吸着剤４２が、冷媒流路２６を構成する溝の内面と、凸部であるリブ頂面との両方に、層状に形成された場合を示す。
リブ頂面にイオン吸着剤４２の層を形成しない場合は、リブ頂面をマスキングした状態でイオン吸着剤４２を溶かした液を塗布するか、あるいは全面にイオン吸着剤４２を溶かした液を塗布し、乾燥しないうちに、リブ頂面のイオン吸着剤４２を除去すればよい。
リブ頂面にイオン吸着剤４２の層を形成しない場合は、隣接セルのセパレータ同士の接触抵抗を小さくすることができる。
【００１６】
イオン吸着剤４２がイオン交換樹脂である場合、イオン交換樹脂は、通常、非導電性であるから、イオン吸着剤４２の層が導電性をもつように、イオン交換樹脂中に、導電性微粒子４２Ｄ（たとえば、カーボン粉、カーボンフィラー、カーボン繊維等）を混入させて層を塗布、形成することが望ましい。そうすることによって、隣接セルのセパレータ同士の接触抵抗を小さくすることができる。
【００１７】
イオン吸着剤４２は冷媒中に含まれるイオンを吸着する。吸着は物理的吸着でもよいし、化学的吸着でもよい。
イオン吸着剤４２は吸着したイオンを保持することができ、また、保持したイオンを離脱することもできるものを使用することが望ましい。そのよう要求を満たすイオン吸着剤４２としてイオン交換樹脂がある。
イオン交換樹脂が陽イオン交換樹脂である場合、陽イオン交換樹脂によって吸着された金属イオンは強酸液を流路に通して流路表面を洗うことにより離脱、除去できる。また、イオン交換樹脂が陰イオン交換樹脂である場合、陰イオン交換樹脂によって吸着された陰イオンは強塩基液を流路に通して流路表面を洗うことにより離脱、除去できる。
【００１８】
本発明の全実施例に共通する作用・効果については、セパレータ１８の冷媒流路面４１にイオン吸着剤４２が設けられているので、冷媒２６中に混じろうとする、または混じった後のイオンは、イオン吸着剤４２によって吸着され、冷媒２６中に混じる、または、混じり続けることが抑制される。その結果、イオンによって冷媒２６の導電率が増加し、冷媒２６を介して外部に漏電したり、あるいは、電解質膜１１を挟むセパレータ１８間の絶縁が低下してセル電圧が低下したりするのが抑制される。
【００１９】
つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、作用・効果を説明する。
〔実施例１〕−−−図１
本発明の実施例１は、冷媒中に含まれるイオンが金属イオン（ステンレス製等のメタルセパレータから腐食によって溶出する鉄イオンなど）であることが予想される場合であり、その場合は、セパレータ１８の冷媒流路面４１に設けられたイオン吸着剤４２が金属イオン吸着剤４２Ａからなる。金属イオンは陽イオンであるから金属イオン吸着剤４２Ａは陽イオン吸着剤４２Ａといってもよい。金属イオン吸着剤４２Ａは、たとえば、陽イオン交換樹脂からなる。
セパレータ１８のガス流路面４０にはイオン吸着剤４２が設けられてもよいし、あるいは設けられなくてもよい。図示例は設けられない場合を示している。
【００２０】
本発明の実施例１の作用・効果については、セパレータ１８の冷媒流路面４１に設けられたイオン吸着剤４２が金属イオン吸着剤４２Ａであるので、腐食などにより、セパレータ１８の冷媒流路面４１から溶出した金属イオン（たとえば鉄イオン、金属イオンは陽イオン）は、金属イオン吸着剤４２Ａによって吸着され、冷媒２６中に混じる、または混じり続けるのが抑制される。
【００２１】
〔実施例２〕−−−図２
本発明の実施例２は、冷媒中に含まれるイオンが陰イオン（たとえば、塩素イオンなど）であることが予想される場合であり、その場合は、セパレータ１８の冷媒流路面４１に設けられたイオン吸着剤４２が陰イオン吸着剤４２Ｂからなる。陰イオン吸着剤４２Ｂは、たとえば、陰イオン交換樹脂からなる。
セパレータ１８のガス流路面４０にはイオン吸着剤４２が設けられてもよいし、あるいは設けられなくてもよい。図示例は設けられない場合を示している。
【００２２】
本発明の実施例２の作用・効果については、セパレータ１８の冷媒流路面４１に設けられたイオン吸着剤４２が陰イオン吸着剤４２Ｂであるので、冷媒２６中に混入した陰イオン（たとえば、塩素イオン等）は、陰イオン吸着剤４２Ｂによって吸着され、冷媒２６中に混じり、または混じり続けることが抑制される。
【００２３】
〔実施例３〕−−−図３
本発明の実施例３は、冷媒中に含まれるイオンが、金属イオン（ステンレス製等のメタルセパレータから腐食によって溶出する鉄イオンなど）と、陰イオン（たとえば、塩素イオンなど）との両方であることが予想される場合であり、その場合は、セパレータ１８の冷媒流路面４１に設けられたイオン吸着剤４２が金属イオン吸着剤４２Ａと陰イオン吸着剤４２Ｂとの混合物４２Ｃからなる。金属イオン吸着剤４２Ａは、たとえば、陽イオン交換樹脂からなり，陰イオン吸着剤４２Ｂは、たとえば、陰イオン交換樹脂からなる。
セパレータ１８のガス流路面４０にはイオン吸着剤４２が設けられてもよいし、あるいは設けられなくてもよい。図示例は設けられない場合を示している。
【００２４】
本発明の実施例３の作用・効果については、イオン吸着剤４２Ｃが金属イオン吸着剤４２Ａの他に陰イオン吸着剤４２Ｂを含むので、冷媒２６中に混入した金属イオン（陽イオン）は金属イオン吸着剤４２Ａによって吸着され、冷媒２６中に混じり、または混じり続けることが抑制され、陰イオン（たとえば、塩素イオン等）は、陰イオン吸着剤４２Ｃによって吸着され、冷媒２６中に混じり、または混じり続けることが抑制される。
【００２５】
〔実施例４〕−−−図４
本発明の実施例４は、冷媒中だけでなく、ガス（酸化ガス、および／または、燃料ガス）中にも含まれることが予想される場合であり、イオン吸着剤４２が、セパレータ１８の冷媒流路面４１だけでなく、セパレータ１８のガス流路面４０にも設けられている。
セパレータ１８のガス流路面４０に設けられたイオン吸着剤４２は、ガス流路溝面のみに設けられてもよいし、あるいはガス流路溝面とリブ頂面（拡散層との接触面）の両方に設けられてもよい。
ガス流路面４２に設けられたイオン吸着剤４２は、金属イオン吸着剤４２Ａからなるか、または陰イオン吸着剤４２Ｂからなるか、または金属イオン吸着剤４２Ａと陰イオン吸着剤４２Ｂとの混合物４２Ｃからなる。金属イオン吸着剤４２Ａは、たとえば、陽イオン交換樹脂からなり、陰イオン吸着剤４２Ｂは、たとえば、陰イオン交換樹脂からなる。
セパレータ１８のガス流路面４０にも設けられたイオン吸着剤４２は、リブ帳面に設けられる場合のように特に導電性が必要な部分には、導電性微粒子４２Ｄ、たとえばカーボン微粒子（粉末、繊維、等）が混入されてもよい。
【００２６】
本発明の実施例４の作用・効果については、イオン吸着剤４２がセパレータ１８のガス流路面４０にも設けられているので、腐食などにより、セパレータのガス流路面４０から溶出した、生成中の金属イオン（陽イオン）や、生成水中に混入した陰イオン（たとえば、塩素イオン等）は、イオン吸着剤４２によって吸着され（金属イオンは金属イオン吸着剤４２Ａにより吸着され、陰イオンは陰イオン吸着剤４２Ｂによって吸着され）、生成水中に混入し続けることが抑制される。
その結果、金属イオンによって電極１４、１７、電解質１１がコンタミ（汚染）して電池性能が低下するのが抑制される。
また、イオン（金属イオン等の陽イオンや、塩素イオン等の陰イオン）が混入した生成水がガスマニホールドに出て電解質膜１１を挟むセパレータ１８間の短絡、セル１０の電圧低下、電池性能低下を生じるのが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池用セパレータの一部の拡大断面図である。
【図２】本発明の実施例２の燃料電池用セパレータの一部の拡大断面図である。
【図３】本発明の実施例３の燃料電池用セパレータの一部の拡大断面図である。
【図４】本発明の実施例４の燃料電池用セパレータの一部の拡大断面図である。
【図５】本発明の燃料電池用セパレータを組み付けた燃料電池スタックの側面図である。
【図６】図５の一部の断面図である。
【図７】図５の燃料電池スタックのセパレータ部の正面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  アノード
１７  カソード
１８  セパレータ
１９  ＭＥＡ
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  燃料電池スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  第１のシール部材
３３  第２のシール部材
４０  ガス流路面４０
４１  冷媒流路面
４２  イオン吸着剤
４２Ａ  金属イオン吸着剤（陽イオン吸着剤）
４２Ｂ  陰イオン吸着剤
４２Ｃ  金属イオン吸着剤（陽イオン吸着剤）と陰イオン吸着剤の混合物
４２Ｄ  導電性微粒子
５１  発電領域
５２  非発電領域
５３  樹脂フレーム
【図１】
2007073444.tif 000003
【図２】
2007073444.tif 000004
【図３】
2007073444.tif 000005
【図４】
2007073444.tif 000006
【図５】
2007073444.tif 000007
【図６】
2007073444.tif 000008
【図７】
2007073444.tif 000009